[go: up one dir, main page]

ES2568622T3 - Dispositivo de control de la temperatura de un fotobiorreactor solar de iluminación directa - Google Patents

Dispositivo de control de la temperatura de un fotobiorreactor solar de iluminación directa Download PDF

Info

Publication number
ES2568622T3
ES2568622T3 ES11757846.8T ES11757846T ES2568622T3 ES 2568622 T3 ES2568622 T3 ES 2568622T3 ES 11757846 T ES11757846 T ES 11757846T ES 2568622 T3 ES2568622 T3 ES 2568622T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
wall
photoreactor
thermal
chamber
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES11757846.8T
Other languages
English (en)
Inventor
Vincent Goetz
Jérémy PRUVOST
Jack Legrand
Gael Plantard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Nantes filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Application granted granted Critical
Publication of ES2568622T3 publication Critical patent/ES2568622T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/22—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes in contact with the bioreactor walls

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

Fotorreactor (1) que comprende una cámara (15) confinada de reacción, estando la cámara (15) separada del exterior por una pared (11) de captación de luz y otra pared (12), siendo la pared de captación y la otra pared paralelas entre sí; el fotorreactor (1) comprende además una válvula (13) térmica dispuesta contra la otra pared (12) para controlar, de manera pasiva, el aumento de calor en el interior de la cámara (15) debido a la radiación que atraviesa la pared (11) de captación con el fin de mantener la temperatura en por lo menos una parte de la cámara (15) bajo una temperatura umbral (Ts), estando la válvula térmica (13) compuesta por un material con cambio de fase; caracterizado por que el fotorreactor (1) comprende un intercambiador (16) térmico dispuesto contra la válvula (13) térmica, llegado el caso, en la parte opuesta con respecto a la otra pared y que asegura un intercambio térmico entre la válvula (13) térmica y el exterior.

Description

5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
DESCRIPCION
Dispositivo de control de la temperatura de un fotobiorreactor solar de iluminacion directa.
Campo de la invencion
La invencion se refiere al campo de los fotobiorreactores. Mas particularmente, la invencion se refiere al campo de los fotobiorreactores que comprenden una camara confinada de reaccion. Se aplica en particular a los fotobiorreactores de flujo para el flujo en bucle cerrado de un llquido. Sin embargo, no esta limitada a esta aplicacion precisa y abarca tambien, por ejemplo, los reactores en celulas inmovilizadas, sin bucle de circulacion, y los reactores en bucle abierto.
Tecnica anterior
La production de biomasa por cultivo de microorganismos fotosinteticos por medio de la utilization directa de la energla solar se inscribe totalmente en el ambito del desarrollo sostenible. Esta produccion es posible gracias a los fotobiorreactores de captation directa de la luz solar, en los que la luz del sol es captada por una superficie de captation y restituida a los microorganismos que consumen una parte de esta radiation solar para su fotoslntesis. La utilizacion de fotobiorreactores cerrados que comprenden una camara confinada de reaccion, en oposicion a los reactores con tanque abierto, permite optimizar la produccion gracias a la posibilidad de controlar las condiciones de crecimiento de los microorganismos (en particular el aporte de diversos gases y nutrientes).
Sin embargo, los fotobiorreactores de captacion directa de luz solar cerrados son susceptibles de sufrir un calentamiento excesivo del cultivo de microorganismos. Esto es tanto mas cierto cuando el volumen de cultivo por superficie de captacion es bajo en este tipo de instalacion (por ejemplo, pero no limitativamente, del orden de algunos litros por metro cuadrado de superficie iluminada). Asimismo, los microorganismos sufren las variaciones de iluminacion solar (ciclo nictemeral y anual). Ahora bien, el dominio de la temperatura constituye un punto clave para el buen funcionamiento de los fotobiorreactores. Esta temperatura debe ser controlada con el fin de que se situe idealmente alrededor de la optima de crecimiento del microorganismo cultivado (habitualmente situada entre 25°C y 40°C). Si la temperatura es demasiado elevada, esto puede causar la muerte de los microorganismos.
Existen soluciones que se refieren principalmente al problema de sobrecalentamiento del fotobiorreactor de captacion directa de luz solar cerrado.
Una solution consiste en rociar regularmente con agua el fotobiorreactor. Otra solution consiste en sumergir parcialmente por lo menos el fotobiorreactor en un tanque de agua.
Tanto una como otra de estas soluciones adolecen del inconveniente consumir mucha agua debido al fenomeno de evaporation y de necesitar la construction de tanques.
Ademas, la aspersion de agua sobre el fotobiorreactor provoca el ensuciamiento de las superficies de captacion de la luz por deposito de sales minerales sobre estas superficies. El flujo luminoso que llega al cultivo se encuentra por lo tanto disminuido.
La inmersion en tanque provoca problemas de reflexion-absorcion de una parte del flujo luminoso, disminuyendo tambien la eficacia de captacion del fotobiorreactor.
El documento FR-A-2 914 315 describe as! una instalacion para la fotoslntesis de microorganismos de algas que comprende un dispositivo de pulverization de agua sobre unas canalizaciones, para reducir la temperatura del llquido de cultivo.
El documento US-2008/0160591 describe un fotobiorreactor dispuesto en un tanque de agua con fines de regulation termica.
El documento WO-2008/008262 describe un fotobiorreactor que comprende un conjunto de transferencia termica a base de medios de pulverizacion de agua o de una fuente.
Otras soluciones implican el aporte de energla electrica para el enfriamiento y/o el calentamiento activo(s) del cultivo. Ahora bien, en el caso de un cultivo de microorganismos para la produccion de energla, es primordial y esencial minimizar todos los costes energeticos relacionados con la produccion de los microorganismos.
Se encuentran unos ejemplos de tales soluciones en los documentos WO-2007/129327 (que divulga un sistema de regulacion termica que utiliza un intercambiador externo), el documento US-2008/0220515 (que preve un intercambio termico con un dispositivo de regulacion externo), el documento FR 2 823 761 (que propone un fotobiorreactor que comprende una doble capa translucida externa que permite la circulacion de fluidos de termorregulacion), el documento EP 1 928 994 (que recomienda una regulacion termica que utiliza unas barreras
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
termicas asociadas a los tubos del reactor, a base de arena, SiO2, vidrio, plastico o ceramica translucida), el documento EP 0 647 707 (que describe un fotobiorreactor que comprende unas paredes termicamente conductoras apropiadas para ser calentadas o enfriadas directamente), el documento US n° 4.233.958 (que describe una cupula que se apoya en una base que forma un acumulador de calor), los documentos US-2009/0291490 y WO 98/18903 (que describen unos fotobiorreactores con una regulacion termica pasiva).
Presentacion de la invencion
Uno de los objetivos de la invencion es paliar por lo menos uno de los inconvenientes de la tecnica anterior descrita anteriormente.
Para ello, la invencion propone un fotorreactor que comprende una camara confinada de reaccion, estando la camara separada del exterior por una pared de captacion de luz, y otra pared, siendo la pared de captation y la otra pared paralelas entre si;
caracterizado por que el fotorreactor comprende ademas una valvula termica dispuesta contra la otra pared para controlar, de manera pasiva, el aumento del calor en el interior de la camara debido a la radiation que atraviesa la pared de captacion con el fin de mantener la temperatura en por lo menos una parte de la camara bajo una temperatura umbral, estando la valvula termica compuesta por un material con cambio de fase y un intercambiador termico segun la reivindicacion 1.
Una ventaja de este fotorreactor de regulacion termica pasiva reside en que no necesita ni aporte de energla ni agua para permitir una regulacion pasiva de la temperatura dentro del cultivo de microorganismos.
Otras caracterlsticas opcionales y no limitativas son las siguientes:
- el reactor es un fotobiorreactor;
- el material es una parafina; la cual tiene preferentemente un intervalo de temperatura de cambio de fase de entre 25°C y 40°C.
Presentacion de los dibujos
Otros objetivos, caracterlsticas y ventajas de la presente invencion apareceran con la lectura de la description detallada siguiente, en referencia a los dibujos dados a tltulo ilustrativo y no limitativo, entre los cuales:
- la figura 1 es un primer ejemplo de realization de un fotobiorreactor;
- la figura 2 es un segundo ejemplo de realizacion de un fotobiorreactor;
- la figura 3 es un tercer ejemplo de realizacion de un fotobiorreactor;
- la figura 4 es un cuarto ejemplo de realizacion de un fotobiorreactor;
- las figuras 5a a 5d muestran cuatro diagramas que ilustran las curvas de temperatura diaria dentro del fotobiorreactor de la figura 1 en funcion de la masa de material con cambio de fase utilizada para la valvula termica;
- las figuras 6a a 6c muestran tres diagramas que ilustran las curvas de temperatura diaria dentro del
fotobiorreactor de la figura 1 en funcion de las condiciones de intercambio en la cara trasera;
- la figura 7a muestra una curva que ilustra la evolution de la densidad de potencia de irradiation durante un
dla normal del mes de julio en Nantes, tomado como dla estandar para los diagramas de las figuras 5a a 5d y 6a a 6c;
- la figura 7b muestra una curva que ilustra la evolucion de la temperatura durante un dla normal del mes de julio en Nantes, tomado como dla estandar para los diagramas de las figuras 5a a 5d y 6a a 6c;
- la figura 8 representa esquematicamente una vista en section vertical de una variante de realizacion de un fotobiorreactor de acuerdo con la presente invencion, que comprende un intercambiador termico; y
- la figura 9 representa un ejemplo de curva de transmision de un vidrio que filtra la radiacion infrarroja, susceptible de ser utilizada en el ambito de la presente invencion.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Descripcion detallada
En referenda a las figuras 1 a 4, se describe a continuacion un ejemplo de fotobiorreactor. El fotobiorreactor 1 permite el cultivo de uno o varios tipos/especies de microorganismos. El termino "microorganismos" se utilizara a continuacion en plural pero abarca tambien el singular.
El fotobiorreactor 1 comprende una camara 15 confinada de reaccion, en este caso una camara de flujo para el flujo en bucle cerrado de un llquido.
La camara 15 de reaccion esta comprendida entre dos paredes:
- una pared 11 de captacion de la luz que la separa del exterior, por la cual atraviesa la radiacion solar; y
- otra pared 12 que puede ser paralela a la pared 11 de captacion.
La distancia entre la pared 11 de captacion y la otra pared 12 se selecciona de manera que permita un flujo satisfactorio en la camara 15 de reaccion, entre estas dos paredes 11 y 12.
El flujo en bucle cerrado esta garantizado por un mecanismo 14 de elevacion de llquido, el cual puede ser objeto de numerosos modos de realizacion bien conocidos por el experto en la materia. Por ejemplo, el mecanismo 14 de elevacion comprende una rampa de elevacion de fluido cuyo extremo esta situado aguas abajo del flujo del cultivo, en la parte inferior de la camara 15, y el otro extremo esta situado aguas arriba, en la parte superior de la camara 15. El mecanismo 14 de elevacion comprende tambien una bomba para hacer circular el llquido hacia la parte superior de la camara 15 de reaccion. La bomba ocasiona un flujo a lo largo de la rampa de elevacion en un sentido contrario al flujo del cultivo. Un reactor de este tipo esta descrito en la solicitud de patente francesa n° FR 09 568 70.
El fotobiorreactor 1 comprende ademas, segun la invention, una valvula 13 termica para mantener, de manera pasiva, la temperatura por debajo de una temperatura umbral Ts en por lo menos una parte de la camara 15 de reaccion. La valvula 13 termica puede ser colocada contra la otra pared 12, posicionandola bien en el interior de la camara 15 de reaccion, o bien en el exterior.
La temperatura umbral Ts esta determinada por los microorganismos presentes en el cultivo. Asl, la temperatura umbral Ts se selecciona de manera que sea inferior a la temperatura maxima que puede soportar el conjunto de los microorganismos cultivados. La temperatura umbral Ts puede ser superior a la temperatura maxima que puede soportar un microorganismo no deseado dentro del cultivo.
En el ambito de la presente invencion, la valvula termica 13 esta formada a base de un material con cambio de fase organica o inorganica cuya temperatura de cambio de fase esta adaptada a la temperatura umbral Ts deseada.
El material que compone la valvula termica 13 puede estar formado por ejemplo por parafina.
A tltulo de ejemplo no limitativo y en el caso de una temperatura umbral Ts de 30°C, un material particularmente bien adaptado y disponible comercialmente esta constituido por la parafina RT31 (Rubitherm), que presenta una zona de fusion de 27 a 31°C para una entalpla de fusion de 170 kJ/kg.
La eficacia de la transferencia termica entre el cultivo y la otra pared 12 depende de las condiciones de flujo. La de entre la otra pared 12 y la valvula 13 termica depende de un coeficiente de intercambio entre el material de la otra pared 12 y el de la valvula 13 termica y de la conductividad termica de la valvula 13 termica.
En el ambito de una valvula 13 termica de material con cambio de fase, la eficacia de la transferencia termica entre la valvula 13 termica y la otra pared 12 mejora si el material con cambio de fase esta dentro de una matriz de grafito.
Durante toda la duration del cambio de fase, la temperatura del material con cambio de fase es sustancialmente constante. Es decir, que si se debe calentar para alcanzar la temperatura de cambio de fase, que esta preferentemente comprendida entre 25°C y 40°C, la temperatura del material, que no sufre todavla cambio de fase, aumentara progresivamente hasta alcanzar la temperatura de cambio de fase. A esta temperatura, el material con cambio de fase pasara de un primer estado a un segundo estado. Mientras quede material en el primer estado, la temperatura se mantendra a la temperatura de cambio de fase. El aumento de la temperatura del material volvera a empezar solo cuando el material se encuentre totalmente en el segundo estado.
Para la composition del material con cambio de fase que forma la valvula termica 13, en el intervalo de temperatura 30°C, se pueden citar los productos siguientes:
- alcanos o parafinas: n-octadecano, nonadecano, productos comercializados bajo la denomination RT42, RT31 o RT27 (mezclas de parafina, productos de Rubitherm);
- materiales organicos diferentes de la parafina: acido caprico (CH3(CH2)8COOH), 1-dodecanol
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
(CH3(CH2)11OH), tioglicolato de octadecilo, palmitato de metilo, estearato de metilo, estearato de etilo (y mezcla de estos tres ultimos constituyentes), acido lactico, estearato de vinilo;
- materiales inorganicos: cloruro de calcio hexahidratado (CaCl26H2O), nitrato de manganeso hexahidratado (Mn(NO3)26H2O), nitrato de litio trihidratado (UNO3-3H2O), sulfato de sodio decahidratado (Na2SO410H2O);
- eutecticos inorganicos: cloruro de calcio con cloruro de magnesio hexahidratado; nitrato de calcio tetrahidratado con nitrato de zinc hexahidratado; cloruro de calcio, de sodio y de potasio con agua; sulfato de sodio decahidratado con agua.
La valvula 13 termica de material con cambio de fase puede recubrir la totalidad de la otra pared 12. Asl, la temperatura del cultivo se mantiene por debajo de la temperatura umbral Ts en toda la camara 15 de reaccion (veanse las figuras 1 y 3).
La valvula 13 termica de material con cambio de fase puede recubrir solo una parte de la otra pared 12, incluso estar en contacto con una parte del fotobiorreactor 1 que no este en la camara 15 de reaccion, sino en una camara 18 de seguridad aguas abajo del flujo del llquido que constituye el cultivo de microorganismos.
En las figuras 2 y 4, la camara de seguridad 18 corresponde a un compartimiento situado en la parte baja del fotobiorreactor 1 y en el que es susceptible de acumularse el llquido contenido en la camara de reaccion 15, en caso de interrupcion del flujo.
El fotobiorreactor 1 puede comprender tambien un regulador 17 de flujo para bloquear el mecanismo 14 de elevacion y de este modo el bucle de flujo del llquido en el interior de la camara 15 de reaccion cuando la temperatura en la camara 15 de reaccion supera otra temperatura umbral Ts' inferior o igual a la temperatura umbral Ts. El llquido se acumula entonces aguas abajo del flujo, eventualmente en la camara 18 de seguridad, si esta esta prevista. Asl, cuando la temperatura en la camara 15 de reaccion supera la otra temperatura umbral Ts', el llquido se confina en un espacio de la camara 15 de reaccion o en la camara 18 de seguridad, en donde esta presente la valvula 13 termica (veanse las figuras 2 y 4).
El material con cambio de fase sirve tambien de almacenamiento de energla. En efecto, al calentarse, y despues al cambiar de estado, el material con cambio de fase almacena la energla solar (la que se debe a la radiacion no consumida por la fotoslntesis) y la restituye cuando la radiacion del sol se vuelve insuficiente (por ejemplo al final del dla), garantizando el mantenimiento de la temperatura optima de crecimiento de los microorganismos durante mas tiempo.
El fotobiorreactor 1 puede ser un fotobiorreactor plano, como se ilustra en las figuras 1 y 2. En este caso, la pared superior 11 de captacion y la otra pared inferior 12 son planas, paralelas entre si e inclinadas con respecto al suelo, asegurando asl un flujo por gravedad. La pared 11 de captacion esta entonces dispuesta por encima de la otra pared 12, siendo esta disposicion impuesta por la geometrla para poder captar directamente la luz solar. En la parte inferior, el fondo de la camara de seguridad 18 comprende por otro lado un plano inclinado hacia abajo en direccion del punto de entrada del conducto de subida 14.
La cara delantera de captacion 11 esta formada tlpicamente por un acristalamiento de algunos mm de grosor.
La cara trasera 12 esta formada por un panel de material apropiado, por ejemplo por metal, vidrio o pollmero.
La valvula 13 termica puede cubrir totalmente la otra pared 12, o bien por encima (en tal caso, la valvula 13 termica esta en el interior de la camara 15 de reaccion), o bien por debajo (vease la figura 1). La otra pared y la valvula 13 termica estan en contacto la una con la otra para permitir una transferencia termica.
La valvula 13 termica puede cubrir solo una camara 18 de seguridad prevista en el fotobiorreactor 1, o bien por encima, o bien por debajo (vease la figura 2). La valvula 13 termica esta posicionada en contacto con una pared de la camara 18 para asegurar la transferencia termica.
El fotobiorreactor 1 puede tambien ser un fotobiorreactor cillndrico, como se ilustra en las figuras 3 y 4. En este caso, la pared 11 de captacion y la otra pared 12 tienen una geometrla cillndrica y centrada sobre el mismo eje, preferentemente vertical. La pared 11 de captacion esta en el exterior mientras que la otra pared 12 esta en el interior, siendo esta disposicion impuesta por la geometrla para poder captar directamente la luz solar. El flujo del llquido formado por el cultivo de microorganismo se realiza de arriba a abajo por gravedad.
La valvula 13 termica puede cubrir totalmente la otra pared 12, o bien por el exterior del cilindro formado por la otra pared 12 (en tal caso, la valvula 13 termica esta en el interior de la camara 15 de reaccion), o bien por el interior del cilindro formado por la otra pared 12 (en tal caso, la valvula 13 termica esta en el exterior de la camara 15 de reaccion, vease la figura 3). La otra pared 12 y la valvula 13 termica estan en contacto la una con la otra para
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
permitir una transferencia termica.
La valvula 13 termica puede cubrir solo una parte de la otra pared 12, o bien por el exterior (vease la figura 4), o bien por el interior, del cilindro formado por la otra pared 12. La valvula 13 termica esta posicionada en contacto con la parte baja de la otra pared 12 para asegurar la transferencia termica y la funcion de seguridad en esta parte de seguridad. En efecto, cuando el mecanismo 14 de elevacion esta bloqueado, el llquido que constituye el cultivo fluye hacia abajo en la parte de seguridad 18.
El fotobiorreactor 1 puede comprender ademas un filtro parecido al infrarrojo y/o al ultravioleta sobre o debajo de la pared 11 de captacion de la luz. El filtro es transparente a las longitudes de onda del campo visible. Prever un filtro es ventajoso porque no toda la radiacion solar es util. En efecto, solo la parte de la radiacion solar que corresponde a las longitudes de onda situadas en el campo de lo visible es util para los microorganismos fotosinteticos con un rendimiento maximo del 15%. Una gran parte de la radiacion solar que entra en el reactor tiene por lo tanto como consecuencia calentar la camara 15 de reaccion.
La eficacia de la transferencia termica entre el cultivo y la otra pared 12 depende de las condiciones de flujo. La de entre la otra pared 12 y la valvula 13 termica depende de un coeficiente de intercambio entre el material de la otra pared 12 y el de la valvula 13 termica y de la conductividad termica de la valvula 13 termica.
En el ambito de una valvula 13 termica de material con cambio de fase, la eficacia de la transferencia termica entre la valvula 13 termica y la otra pared 12 mejora si el material con cambio de fase esta dentro de una matriz en grafito.
El resto de la radiacion puede ser nefasto (ultravioletas que representan el 5% de la densidad de potencia total del espectro solar estandar, es decir aproximadamente 50 W m-2) o puede causar el sobrecalentamiento del fotobiorreactor 1 (similar al infrarrojo que representa el 52% de la densidad de potencia total del espectro solar estandar, es decir aproximadamente 515 W m-1). Ademas, como la capacidad de la valvula 13 termica de material con cambio de fase para mantener la camara 15 de cultivo debajo de la temperatura umbral Ts depende de su masa, prever un filtro permite reducir la masa necesaria, ya que una parte de las radiaciones de calentamiento no entra en la camara 15 de reaccion.
La pared 11 de captacion puede desempenar el papel de filtro con respecto a la radiacion que no es util. Por ejemplo, una pared 11 de captacion de vidrio convencional desempena naturalmente el papel de filtro para la radiacion ultravioleta comprendida en el espectro solar. Unos vidrios tecnicos aseguran la funcion de filtro de la radiacion similar al infrarrojo (longitudes de onda comprendidas entre 700 nm y 3000 nm). Se ha representado en la figura 9 anexa el porcentaje de transmision de vidrios disponibles en el comercio destinados a la filtracion de la radiacion infrarroja y similar al infrarrojo. Se pueden utilizar otros materiales con el fin de acercarse idealmente a una transparencia perfecta a las longitudes de onda utiles para la fotoslntesis situadas en el campo de lo visible y una reflexion total a las longitudes de onda ultravioleta y sobre todo similares al infrarrojo.
Como se ha representado esquematicamente en la figura 8, el fotorreactor 1 comprende un intercambiador 16 termico. El intercambiador termico 16 esta dispuesto en contacto con la valvula 13 termica cuando esta esta prevista en el exterior de la camara de reaccion 15. El intercambiador termico 16 puede tambien estar dispuesto en contacto con la otra pared 12, en particular cuando la valvula 13 termica esta prevista en el interior de la camara de reaccion 15. El intercambiador termico 16 permite aliviar la valvula 13 termica asegurando un cierto enfriamiento de esta.
Segun otras variantes no reivindicadas, el intercambiador 16 termico puede tambien tener otra posicion, con tal de que pueda asegurar una transferencia termica entre la camara 15 de reaccion y el exterior a traves eventualmente de un elemento del fotobiorreactor 1.
El intercambiador 16 termico puede ser un radiador de aletas.
Las figuras 5a a 5d ilustran los resultados de un calculo teorico del calentamiento del cultivo dentro de la camara 15 de reaccion durante un dla estandar cuando el fotobiorreactor 1 no comprende la valvula 13 termica (figura 5a) o comprende una valvula 13 termica de material con cambio de fase que tiene un grosor de 1 cm (figura 5b), 2 cm (figura 5c) y 3 cm (figura 5d).
Los calculos que conducen a las figuras 5a a 5d se han efectuado para un fotobiorreactor 1 que comprende un filtro de vidrio que presenta una transmision y una reflexion de la radiacion solar de 0,5. Las condiciones de intercambios con el medioambiente, de las superficies 11 y 12 (figura 5a) o de la superficie de la valvula 13 termica (figura 5b, 5c 5d) consideradas para el calculo, corresponden a un coeficiente de intercambio por conveccion natural de 5 W m-2 K-1. La valvula termica utilizada en la simulacion comprende una superficie de 0,7 m2, y es de material con cambio de fase formado por Rubitherm que tiene respectivamente unos grosores de 1 cm, 2 cm y 3 cm que corresponde a unas masas de 5 kg, 10 kg y 15 kg.
Se observa en la figura 5a que cuando el fotobiorreactor 1 no comprende la valvula 13 termica (figura 5a), la temperatura dentro de la camara 15 de reaccion alcanza un maximo de 40°C entre las12:00 y 13:00 y se mantiene
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
superior a 30°C durante cerca de siete horas.
Cuando el fotobiorreactor 1 comprende una valvula 13 termica de material con cambio de fase de 1 cm (figura 5b), la temperatura dentro de la camara 15 de reaccion alcanza tambien un maximo de 40°C alrededor de las 13:00 horas y se mantiene superior a 30°C durante cuatro horas, es decir tres horas menos que en el caso ilustrado en la figura 5a.
Cuando la valvula 13 termica es de 2 cm (figura 5c), la temperatura dentro de la camara 15 de reaccion sigue estando por debajo de 35°C a lo largo del dla y superior a 30°C durante dos horas y veinte minutos aproximadamente, es decir cerca de cuatro horas y cuarenta minutos menos que en el caso ilustrado en la figura 5a. El pico de temperatura se desplaza alrededor de las 14:45 horas.
Por ultimo, cuando la valvula 13 termica es de 3 cm, la temperatura dentro de la camara 15 de reaccion sigue siendo constante por debajo de 30°C (figura 5d).
Estas comparaciones demuestran la eficacia de la valvula 13 termica de material con cambio de fase.
Las figuras 6a a 6c ilustran el calentamiento del cultivo dentro de la camara 15 de reaccion durante un dla estandar
cuando el fotobiorreactor 1 comprende un filtro de vidrio, teniendo una valvula 13 termica de material con cambio de
fase un grosor de 1 cm sin intercambio termico (figura 6a), y con un intercambiador termico que desarrolla una
superficie aletada (que comprende unas aletas) que permite aumentar la superficie de intercambio inicial (en este
caso 0,7 m2) en un factor 2 (figura 6b) o en un factor 6 (figura 6c). Los calculos presentados en la presente memoria
a tltulo ilustrativo se han efectuado en el caso de un intercambio en condiciones de conveccion natural que
2 1 1 conducen a un coeficiente de intercambio de 5 W m' K .
La figura 6a corresponde a la figura 5b. Por lo tanto no se comentara mas.
Cuando el intercambiador termico en la cara trasera permite duplicar la superficie de intercambio (figura 6b), la temperatura dentro de la camara 15 de reaccion no supera los 35°C durante todo el dla estandar y sigue estando por encima de 30°C durante menos de tres horas y veinte minutos, acercando el resultado obtenido al caso ilustrado por la figura 5c.
Cuando el intercambiador termico en la cara trasera desarrolla una superficie seis veces mayor (figura 6c), la temperatura dentro de la camara 15 de reaccion no supera los 30°C durante todo el dla estandar. El resultado se ve incluso mejorado con respecto al caso ilustrado por la figura 5d.
Asl, se puede observar que la utilizacion de un intercambiador termico en la cara trasera mejora los resultados obtenidos. Esto permite reducir la masa de material con cambio de fase necesaria.
La evolucion de la temperatura de un dla estandar tal como se considera en las simulaciones que conducen a los resultados de las figuras 5a a 5d y 6a a 6c se ilustra en la figura 7b. Esta evolucion corresponde a la de un dla normal del mes de julio en Nantes. La evolucion durante el dla de la densidad de flujo que corresponde a la radiacion solar se ilustra en la figura 7a.
La descripcion se ha realizado en referencia a un fotobiorreactor, pero puede tambien ser facilmente adaptada para cualquier tipo de reactor de captation directa de luz solar, por ejemplo un fotorreactor que trabaja en el campo de la fotocatalisis para el tratamiento de llquidos. Asimismo, las geometrlas pueden variar y el experto en la materia sabra adaptar la ensenanza de la presente descripcion a estas diversas geometrlas.
Los aportes de gas A, en particular CO2, y en nutrientes se realizan mediante unos conductos dedicados conocidos por el experto en la materia, por ejemplo a nivel del conducto 14. Asimismo, el trasiego para la recogida de los microorganismos se efectua mediante cualquier medio adecuado conocido por el experto en la materia, por ejemplo con la ayuda de medios previstos para ello sobre el conducto 14, cuando se cumplen las condiciones.
El experto en la tecnica apreciara, con la lectura de la descripcion anterior, que la presente invention permite unas ventajas decisivas en cuanto a la regulation de temperatura, frente a la tecnica anterior, mediante la utilizacion de un sistema de regulacion pasiva que comprende una valvula termica y un intercambiador termico.
No es necesario disponer de una bomba sobre el conducto 14 cuando el llquido es puesto en movimiento por otros medios, por ejemplo como se conoce en si mismo, por la presion estatica diferencial que resulta de la inyeccion de gas en la camara de reaccion 15.

Claims (9)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Fotorreactor (1) que comprende una camara (15) confinada de reaccion, estando la camara (15) separada del exterior por una pared (11) de captacion de luz y otra pared (12), siendo la pared de captacion y la otra pared paralelas entre si;
    el fotorreactor (1) comprende ademas una valvula (13) termica dispuesta contra la otra pared (12) para controlar, de manera pasiva, el aumento de calor en el interior de la camara (15) debido a la radiacion que atraviesa la pared (11) de captacion con el fin de mantener la temperatura en por lo menos una parte de la camara (15) bajo una temperatura umbral (Ts), estando la valvula termica (13) compuesta por un material con cambio de fase;
    caracterizado por que el fotorreactor (1) comprende un intercambiador (16) termico dispuesto contra la valvula (13) termica, llegado el caso, en la parte opuesta con respecto a la otra pared y que asegura un intercambio termico entre la valvula (13) termica y el exterior.
  2. 2. Fotorreactor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el reactor es un fotobiorreactor.
  3. 3. Fotorreactor (1) segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el material es una parafina.
  4. 4. Fotorreactor (1) segun la reivindicacion 3, en el que el material es una parafina con un intervalo de temperatura de cambio de fase proximo a 30°C.
  5. 5. Fotorreactor (1) segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el material se selecciona de entre los productos siguientes:
    - alcanos o parafinas: en particular n-octadecano, nonadecano,
    - materiales organicos distintos de la parafina: en particular acido caprico; 1-dodecanol, tioglicolato de octadecilo; palmitato de metilo, estearato de metilo, estearato de etilo, y mezcla de estos tres ultimos constituyentes; acido lactico; estearato de vinilo;
    - materiales inorganicos: en particular cloruro de calcio hexahidratado; nitrato de manganeso hexahidratado; nitrato de litio trihidratado; sulfato de sodio decahidratado;
    - eutecticos inorganicos: en particular cloruro de calcio con cloruro de magnesio hexahidratado; nitrato de calcio tetrahidratado con nitrato de zinc hexahidratado; cloruro de calcio, de sodio y de potasio con agua; sulfato de sodio decahidratado con agua.
  6. 6. Fotorreactor segun una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la pared (11) de captacion y la otra pared (12) son planas y estan inclinadas con respecto al suelo asegurando as! un flujo, estando la pared (11) de captacion dispuesta por encima de la otra pared (12).
  7. 7. Fotorreactor (1) segun una de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende ademas un medio que forma un filtro que deja pasar unicamente las radiaciones utiles.
  8. 8. Fotorreactor segun una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el intercambiador (16) termico es un radiador de aletas.
  9. 9. Fotorreactor segun una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la valvula (13) termica esta dispuesta aguas abajo del flujo, y que comprende ademas un regulador (17) de flujo para cortar el bucle (14) de flujo del llquido en el interior de la camara (15) de reaccion cuando la temperatura en la camara (15) de reaccion supera otra temperatura umbral (Ts'), acumulandose el llquido aguas abajo del flujo.
ES11757846.8T 2010-09-13 2011-09-13 Dispositivo de control de la temperatura de un fotobiorreactor solar de iluminación directa Active ES2568622T3 (es)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1057285A FR2964666B1 (fr) 2010-09-13 2010-09-13 Dispositif de controle de la temperature d'un photobioreacteur solaire a eclairage direct
FR1057285 2010-09-13
PCT/EP2011/065874 WO2012035027A1 (fr) 2010-09-13 2011-09-13 Dispositif de controle de la temperature d'un photobioreacteur solaire a eclairage direct

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2568622T3 true ES2568622T3 (es) 2016-05-03

Family

ID=44023036

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES11757846.8T Active ES2568622T3 (es) 2010-09-13 2011-09-13 Dispositivo de control de la temperatura de un fotobiorreactor solar de iluminación directa

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20130177975A1 (es)
EP (1) EP2616534B1 (es)
JP (1) JP5894994B2 (es)
ES (1) ES2568622T3 (es)
FR (1) FR2964666B1 (es)
WO (1) WO2012035027A1 (es)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101608214B1 (ko) 2014-06-24 2016-04-04 한국에너지기술연구원 온도조절이 가능한 광생물 반응장치
FR3089521A1 (fr) 2018-12-10 2020-06-12 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives photobioréacteur
WO2020150248A1 (en) 2019-01-15 2020-07-23 Sabic Global Technologies, B.V. Use of renewable energy in the production of chemicals
US20210371800A1 (en) * 2020-06-01 2021-12-02 Exxonmobil Research And Engineering Company Systems and methods for thermal management of algae cultivation systems
US11508488B2 (en) 2020-09-10 2022-11-22 Battelle Energy Alliance, Llc Heat transfer systems for nuclear reactor cores, and related systems

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR956870A (es) 1950-02-09
US2646972A (en) * 1950-02-04 1953-07-28 Knapp Monarch Co Fin type radiator
SE422872B (sv) 1977-07-07 1982-04-05 Heden Carl Goeran Sett och anordning for att klimatisera en byggnadskonstruktion
NL9100715A (nl) * 1991-04-25 1992-11-16 Bopam B V I O Reactor voor het kweken van algen.
GB9309429D0 (en) * 1993-05-07 1993-06-23 Bioscot Ltd Fermenter accessory
AT401476B (de) 1993-08-20 1996-09-25 Sy Lab Vertriebsges M B H Thermokammer
DE19644992C1 (de) * 1996-10-30 1998-03-12 Roehm Gmbh Temperierbares Solarelement für Solarreaktoren
FR2823761B1 (fr) 2001-04-24 2003-06-06 Bertrand Eric Duran Dispositif permettant la culture industrielle de micro-organismes photosynthetiques flocules (micro-algues) dans le cadre d'exploitation a hauts rendements
WO2003030731A2 (en) * 2001-10-09 2003-04-17 Optiscan Biomedical Corporation Method and apparatus for improving clinical accuracy of analyte measurements
US7294374B2 (en) * 2003-08-07 2007-11-13 Tcp Reliable, Inc. Thermal packaging system
JP2006204186A (ja) * 2005-01-28 2006-08-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 培養装置
CN101341243A (zh) 2005-08-25 2009-01-07 索利克斯生物燃料公司 由藻类生产生物柴油的方法、设备和系统
US8171984B2 (en) * 2006-02-01 2012-05-08 Sgl Carbon Ag Latent heat storage devices
WO2007129327A1 (en) 2006-05-08 2007-11-15 Abhishek Narain Singh A photo bio-reactor for cultivating and harvesting a bio-mass and a method thereof
BRPI0714051A2 (pt) 2006-07-10 2012-12-11 Greenfuel Technologies Corp sistema de fotobiorreatores e métodos para tratamento de gás enriquecido com co2 e produção de biomassa
US9637714B2 (en) 2006-12-28 2017-05-02 Colorado State University Research Foundation Diffuse light extended surface area water-supported photobioreactor
US7950181B2 (en) 2007-01-17 2011-05-31 Mip, Llc Apparatus and methods for production of biodiesel
FR2914315B1 (fr) 2007-03-29 2010-08-20 Chao-Hui Lu Procedes et systemes pour la photosynthese de microorganismes d'algue
WO2009009113A1 (en) * 2007-07-11 2009-01-15 Program For Appropriate Technology In Health (Path) Disposable sample processing unit
US20090023199A1 (en) * 2007-07-19 2009-01-22 New England Clean Fuels, Inc. Micro-organism production system and method
JP5033557B2 (ja) * 2007-09-20 2012-09-26 株式会社日立製作所 温度調整部材
US20090155864A1 (en) * 2007-12-14 2009-06-18 Alan Joseph Bauer Systems, methods, and devices for employing solar energy to produce biofuels
US20090291490A1 (en) * 2008-01-18 2009-11-26 Touchstone Research Laboratory, Ltd. Photo-Bioreactor
WO2010011320A1 (en) * 2008-07-23 2010-01-28 Global Energies, Llc Bioreactor system for mass production of biomass

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012035027A1 (fr) 2012-03-22
EP2616534B1 (fr) 2016-01-20
EP2616534A1 (fr) 2013-07-24
FR2964666B1 (fr) 2014-11-21
JP5894994B2 (ja) 2016-03-30
US20130177975A1 (en) 2013-07-11
JP2013537042A (ja) 2013-09-30
FR2964666A1 (fr) 2012-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2568622T3 (es) Dispositivo de control de la temperatura de un fotobiorreactor solar de iluminación directa
ES2897716T3 (es) Central solar de alta eficiencia y bajo coste
KR20120083425A (ko) 집적형 태양열 발전 시스템
EP2524024A2 (en) Photo-bioreactor and method for cultivating biomass by photosynthesis
ES2575705T3 (es) Sistema de concentración solar
US20120295336A1 (en) Microalgae Cultivation System for Cold Climate Conditions
KR101438680B1 (ko) 폐열, 지열 및 해수를 이용한 수온 조절이 가능한 내륙 양식 시스템
Kumar Singh et al. Thermal performance enhancement of basin-type solar still coupled with mini solar pond and shallow solar pond in closed-cycle mode
Mustafa et al. Energy, Exergy, Economic and Environmental Analysis of Single Slope Solar Still System using Phase Change Material.
JP2010038459A (ja) 太陽熱蓄熱装置
ES2272194A1 (es) Caldera de energia solar.
WO2006120260A1 (es) Central termoeléctrica solar
US20160315583A1 (en) Solar water-collecting, air-conditioning, light-transmitting and power generating house
Poyyamozhi et al. Enhancement of solar pond effectiveness through addition of PCM to low convective zone
ES2993891T3 (en) Water distiller
CN207904247U (zh) 反应池设备
JP3165721U (ja) 暖房具
Malaiyappan et al. Asymmetrical solar still coupled with the mini solar pond: Performance evaluation on clear, partially cloudy and cloudy days
KR101642383B1 (ko) 태양광을 이용한 축열 시스템
Tiwari et al. Productivity enhancement of solar still using phase change material
CN108184490A (zh) 一种自然条件下全天候海上漂浮式日光温室
JP2015128416A (ja) 植物栽培用ハウスの冷暖房装置
RU151459U1 (ru) Устройство для создания благоприятного микроклимата в теплице
JP2025028664A (ja) 藻類培養装置および藻類培養方法
El-Batouti et al. An Investigation into a Miniature Saltless Solar Pond. Materials 2022, 15, 5974